Elektrilised ja magnetilised nähtused on omavahel tihedalt seotud. Ja kui vool tekitab magnetismi, siis peab eksisteerima ka vastupidine nähtus – elektrivoolu ilmumine magneti liikumisel. Nii arvas inglise teadlane Michael Faraday, kes tegi 1822. aastal oma laboripäevikusse järgmise sissekande: "Muuda magnetism elektriks."
Sellele sündmusele eelnes elektromagnetismi fenomeni avastamine Taani füüsiku Hans Christian Oerstedi poolt, kes avastas magnetvälja tekkimise voolu juhtiva juhi ümber. Faraday viis aastaid läbi erinevaid katseid, kuid esimesed katsed ei toonud talle edu. Peamine põhjus oli see, et teadlane ei teadnud, et ainult vahelduv magnetväli võib tekitada elektrivoolu. Tõeline tulemus saavutati alles 1831. aastal.
Faraday katsed
Klõpsake pildil
29. augustil 1931 tehtud katses mässis teadlane traadirullid ümber raua vastaskülgede.õhuke rõngas. Ühe juhtme ühendas ta galvanomeetriga. Hetkel, mil akuga ühendati teine juhe, kaldus galvanomeetri nõel järsult kõrvale ja naasis algasendisse. Sama pilt oli ka aku kontakti avamisel. See tähendas, et vooluringi tekkis elektrivool. See tekkis sellest, et esimese juhtme keerdudest tekkinud magnetvälja jooned ristusid teise juhtme keerdudega ja tekitasid neis voolu.
Faraday eksperiment
Mõni nädal hiljem viidi läbi katse püsimagnetiga. Faraday ühendas galvanomeetri vasktraadi mähisega. Seejärel lükkas ta terava liigutusega silindrilise magnetvarda sisse. Sel hetkel kõikus järsult ka galvanomeetri nõel. Kui varras spiraali küljest lahti võeti, siis nool ka kõikus, aga vastupidises suunas. Ja see juhtus iga kord, kui magnet mähisest välja lükati või välja lükati. See tähendab, et vooluringis tekkis vool, kui magnet selles liikus. Nii suutis Faraday "muundada magnetismi elektriks".
Faraday laboris
Mähises olev vool ilmneb ka siis, kui selle sees oleva püsimagneti asemel liigutate teist vooluallikaga ühendatud mähist.
Kõigil neil juhtudel juhtus pooli ahelat läbiva magnetvoo muutus, mis viis suletud ahelas elektrivoolu ilmnemiseni. See on fenomen elektromagnetiline induktsioon , ja praegune on indutseeritud vool .
On teada, et suletud vooluringis eksisteerib vool, kui seda säilitab potentsiaalide erinevus, kasutades elektromotoorjõudu (EMF). Järelikult, kui ahelas magnetvoog muutub, tekib selles selline EMF. Seda nimetatakse indutseeritud emf .
Faraday seadus
Michael Faraday
Elektromagnetilise induktsiooni suurus ei sõltu põhjusest, miks magnetvoog muutub – kas muutub magnetväli ise või liigub selles ahel. See sõltub ahelat läbiva magnetvoo muutumise kiirusest.
Kus ε – piki kontuuri toimiv EMF;
F V - magnetvoog.
Vahelduvas magnetväljas mähise EMF-i suurust mõjutavad selle keerdude arv ja magnetvoo suurus. Faraday seadus näeb sel juhul välja selline:
Kus N – pöörete arv;
F V – magnetvoog läbi ühe pöörde;
Ψ – vooühendus või kogu magnetvoo blokeerimine mähise kõigi pööretega.
Ψ = N ·F i
F i – ühe pöörde läbiv vool.
Isegi nõrk magnet võib tekitada suure induktsioonivoolu, kui selle magneti liikumiskiirus on suur.
Kuna juhtides tekib indutseeritud vool, kui neid läbiv magnetvoog muutub, siis tekib see ka statsionaarses magnetväljas liikuvas juhis. Induktsioonivoolu suund sõltub sel juhul juhi liikumissuunast ja määratakse parema käe reegliga: " Kui asetate parema käe peopesa nii, et magnetvälja jooned sisenevad sellesse ja 90 0 võrra painutatud pöial näitaks juhi liikumissuunda, siis välja sirutatud 4 sõrme näitavad indutseeritud jõu suunda. EMF ja voolu suund juhis».
Lenzi reegel
Emily Khristianovitš Lenz
Induktsioonvoolu suund määratakse reegliga, mis kehtib kõigil juhtudel, kui selline vool tekib. Selle reegli sõnastas balti päritolu vene füüsik Emily Khristianovitš Lenz: " Suletud vooluringis tekkival indutseeritud voolul on selline suund, et selle tekitatav magnetvoog neutraliseerib selle voolu põhjustatud magnetvoo muutust.
Tuleb märkida, et selle järelduse tegi teadlane katsete tulemuste põhjal. Lenz lõi seadme, mis koosnes vabalt pöörlevast alumiiniumplaadist, mille ühte otsa oli kinnitatud tugev alumiiniumrõngas ja teise - sälguga rõngas.
Kui magnet viidi tihedale rõngale lähemale, tõrjus see eemale ja hakkas "ära jooksma".
Klõpsake pildil
Kui magnet eemaldus, püüdis sõrmus sellele järele jõuda.
Klõpsake pildil
Lõigatud rõnga puhul midagi sellist ei täheldatud.
Lenz selgitas seda sellega, et esimesel juhul tekitab indutseeritud vool magnetvälja, mille induktsioonijooned on suunatud välise magnetvälja induktsioonijoontele vastassuunas. Teisel juhul langevad indutseeritud voolu poolt tekitatud magnetvälja induktsioonijooned suunalt kokku püsimagnetvälja induktsioonijoontega. Lõigatud rõngas ei esine induktsioonivoolu, mistõttu see ei saa magnetiga suhelda.
Lenzi reegli kohaselt on välise magnetvoo suurenemisel indutseeritud vool sellise suunaga, et selle tekitatav magnetväli takistab sellist suurenemist. Kui väline magnetvoog väheneb, toetab induktsioonivoolu magnetväli seda ja takistab selle vähenemist.
Elektrivoolu generaator
Generaator
Faraday elektromagnetilise induktsiooni avastus võimaldas seda nähtust praktikas kasutada.
Mis juhtub, kui keerate mähist bo-ga rohkem metalltraadi pöördeid statsionaarses magnetväljas? Mähisahelat läbiv magnetvoog muutub pidevalt. Ja selles tekib elektromagnetilise induktsiooni EMF. See tähendab, et selline disain võib tekitada elektrivoolu. Vahelduvvoolugeneraatorite töö põhineb sellel põhimõttel.
Generaator koosneb 2 osast - rootorist ja staatorist. Rootor on liikuv osa. Madala võimsusega generaatorites pöörleb püsimagnet kõige sagedamini. Võimsad generaatorid kasutavad püsimagneti asemel elektromagnetit. Pöörledes tekitab rootor muutuva magnetvoo, mis tekitab generaatori statsionaarse osa - staatori - soontes paikneva mähise keerdudes elektrilise induktsioonivoolu. Rootorit käitab mootor. See võib olla aurumasin, veeturbiin jne.
Trafo
See on ehk kõige levinum elektrotehnikas seade, mis on loodud elektrivoolu ja pinge muundamiseks. Trafosid kasutatakse raadiotehnikas ja elektroonikas. Ilma nendeta on võimatu elektrit pikkade vahemaade taha edastada.
Lihtsaim trafo koosneb kahest mähist, millel on ühine metallsüdamik. Ühele mähisele antav vahelduvvool tekitab selles vahelduva magnetvälja, mida südamik võimendab. Selle välja magnetvoog, mis tungib läbi teise mähise pöördeid, tekitab selles induktsioonelektrivoolu. Kuna indutseeritud emfi suurus sõltub pöörete arvust, saab nende vahekorda mähistes muutes muuta ka voolu suurust. See on väga oluline näiteks elektri edastamisel pikkade vahemaade taha. Lõppude lõpuks tekivad transportimisel suured kaod, kuna juhtmed kuumenevad. Trafo abil voolu vähendades vähenevad need kaod. Kuid samal ajal pinge kasvab. Viimases etapis, kasutades astmelist trafot, vähendatakse pinget ja suurendatakse voolu. Loomulikult on sellised trafod palju keerulisemad.
Peab ütlema, et Faraday polnud ainus, kes püüdis tekitada indutseeritud voolu. Sarnaseid katseid viis läbi ka kuulus Ameerika füüsik Joseph Henry. Ja tal õnnestus edu saavutada peaaegu samaaegselt Faradayga. Kuid Faraday edestas teda, avaldades sõnumi oma avastuse kohta enne Henryt.
Ühtse riigieksami kodifitseerija teemad: elektromagnetilise induktsiooni nähtus, magnetvoog, Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus, Lenzi reegel.
Oerstedi katse näitas, et elektrivool tekitab ümbritsevas ruumis magnetvälja. Michael Faraday jõudis mõttele, et võib olla ka vastupidine efekt: magnetväli omakorda tekitab elektrivoolu.
Ehk siis magnetväljas olgu suletud juht; Kas selles juhis tekib magnetvälja mõjul elektrivool?
Pärast kümmet aastat otsimist ja katsetamist õnnestus Faradayl lõpuks see efekt avastada. 1831. aastal viis ta läbi järgmised katsed.
1. Kaks mähist keriti samale puidust alusele; teise mähise pöörded asetati esimese keerdude vahele ja isoleeriti. Esimese mähise klemmid ühendati vooluallikaga, teise pooli klemmid ühendati galvanomeetriga (galvanomeeter on tundlik seade väikeste voolude mõõtmiseks). Nii saadi kaks vooluringi: "vooluallikas - esimene mähis" ja "teine mähis - galvanomeeter".
Elektrilist kontakti vooluahelate vahel ei olnud, teise pooli tungis ainult esimese pooli magnetväli.
Kui esimese mähise vooluahel suleti, registreeris galvanomeeter teises mähises lühikese ja nõrga vooluimpulsi.
Kui konstantne vool voolas läbi esimese mähise, ei tekkinud teises mähis voolu.
Esimese pooli vooluringi avamisel tekkis teises mähises taas lühike ja nõrk vooluimpulss, kuid seekord vastupidises suunas võrreldes vooluga, kui vooluring oli suletud.
Järeldus.
Esimese pooli ajas muutuv magnetväli tekitab (või nagu öeldakse, kutsub esile) elektrivool teises mähises. Seda voolu nimetatakse indutseeritud vool.
Kui esimese pooli magnetväli suureneb (hetkel voolutugevus suureneb, kui vooluring on suletud), siis teises mähises indutseeritud vool liigub ühes suunas.
Kui esimese pooli magnetväli väheneb (hetkel voolutugevus vooluringi avamisel väheneb), siis teises mähises indutseeritud vool voolab teises suunas.
Kui esimese pooli magnetväli ei muutu (alalisvool läbi selle), siis teises mähises indutseeritud voolu ei ole.
Faraday nimetas avastatud nähtust elektromagnetiline induktsioon(st "elektri induktsioon magnetismiga").
2. Kinnitamaks oletust, et induktsioonvool tekib muutujad magnetväli, liigutas Faraday pooli üksteise suhtes. Esimese mähise vooluahel jäi kogu aeg suletuks, sealt voolas läbi alalisvool, kuid liikumise (lähenemise või kauguse) tõttu sattus teine mähis end esimese pooli vahelduvasse magnetvälja.
Galvanomeeter registreeris jälle voolu teises mähises. Induktsioonivoolul oli üks suund, kui poolid lähenesid üksteisele, ja teine suund, kui nad eemaldusid. Sel juhul oli induktsioonivoolu tugevus seda suurem, mida kiiremini poolid liikusid..
3. Esimene mähis asendati püsimagnetiga. Kui teise mähise sisse toodi magnet, tekkis induktsioonivool. Magneti väljatõmbamisel ilmus vool uuesti, kuid teises suunas. Ja jällegi, mida kiiremini magnet liikus, seda suurem oli induktsioonivoolu tugevus.
Need ja järgnevad katsed näitasid, et juhtivas vooluringis tekib indutseeritud vool kõigil neil juhtudel, kui ahelasse tungiva magnetvälja "joonte arv" muutub. Induktsioonivoolu tugevus osutub seda suuremaks, mida kiiremini see ridade arv muutub. Voolu suund on üks, kui ahelat läbivate liinide arv suureneb, ja teine, kui need vähenevad.
Tähelepanuväärne on see, et antud vooluringi voolutugevuse jaoks on oluline ainult liinide arvu muutumise kiirus. See, mis sel juhul täpselt juhtub, ei oma tähtsust – kas väli ise muutub, tungides läbi statsionaarse kontuuri või liigub kontuur ühe joontihedusega alalt teise tihedusega alale.
See on elektromagnetilise induktsiooni seaduse olemus. Kuid valemi kirjutamiseks ja arvutuste tegemiseks peate selgelt vormistama ebamäärase mõiste "väljajoonte arv läbi kontuuri".
Magnetvoog
Magnetvoo mõiste on täpselt vooluringi läbivate magnetvälja joonte arvu tunnus.
Lihtsuse huvides piirdume ühtlase magnetvälja juhtumiga. Vaatleme induktsiooniga magnetväljas asuva ala kontuuri.
Olgu esmalt magnetväli ahela tasapinnaga risti (joonis 1).
Riis. 1.
Sel juhul määratakse magnetvoog väga lihtsalt - magnetvälja induktsiooni ja vooluringi pindala korrutisena:
(1)
Vaatleme nüüd üldist juhtumit, kui vektor moodustab kontuuri tasapinnaga normaalse nurga (joonis 2).
Riis. 2.
Näeme, et nüüd “voolab” ahelast läbi ainult magnetinduktsiooni vektori risti olev komponent (ja ahelaga paralleelne komponent ei “voola” sellest läbi). Seetõttu on meil valemi (1) kohaselt . Aga järelikult
(2)
See on magnetvoo üldine määratlus ühtlase magnetvälja korral. Pange tähele, et kui vektor on paralleelne ahela tasapinnaga (st), muutub magnetvoog nulliks.
Kuidas määrata magnetvoogu, kui väli pole ühtlane? Toome lihtsalt idee välja. Kontuuripind jaguneb väga suureks hulgaks väga väikesteks aladeks, mille piires võib välja lugeda ühtlaseks. Iga saidi jaoks arvutame valemi (2) abil välja oma väikese magnetvoo ja seejärel liidame kõik need magnetvood kokku.
Magnetvoo mõõtühik on weber(Wb). Nagu näeme,
Wb = T · m = V · s. (3)
Miks iseloomustab magnetvoog vooluringi läbiva magnetvälja "joonte arvu"? Väga lihtne. "Joonde arvu" määrab nende tihedus (ja seega ka suurus - lõppude lõpuks, mida suurem on induktsioon, seda tihedamad on jooned) ja välja poolt läbistatud "efektiivne" ala (ja see pole midagi muud kui ). Kuid kordajad moodustavad magnetvoo!
Nüüd saame anda Faraday avastatud elektromagnetilise induktsiooni nähtuse selgema määratluse.
Elektromagnetiline induktsioon- see on nähtus elektrivoolu esinemisest suletud juhtivas ahelas, kui ahelat läbiv magnetvoog muutub.
indutseeritud emf
Mis on indutseeritud voolu tekkimise mehhanism? Me arutame seda hiljem. Seni on selge üks asi: kui vooluringi läbiv magnetvoog muutub, mõjuvad ahelas olevatele vabadele laengutele mingid jõud - välised jõud, põhjustades laengute liikumist.
Nagu me teame, nimetatakse välisjõudude tööd ühe positiivse laengu liigutamiseks ümber vooluringi elektromotoorjõuks (EMF): . Meie puhul, kui vooluringi läbiv magnetvoog muutub, kutsutakse vastav emf indutseeritud emf ja on määratud .
Niisiis, Induktsioon emf on välisjõudude töö, mis tekib siis, kui vooluringi läbiv magnetvoog muutub, liigutades ahela ümber ühe positiivse laengu.
Peagi saame teada sel juhul vooluringis tekkivate välisjõudude olemuse.
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus
Induktsioonivoolu tugevus Faraday katsetes osutus seda suuremaks, mida kiiremini muutus ahelat läbiv magnetvoog.
Kui lühikese aja jooksul on magnetvoo muutus võrdne , siis kiirust magnetvoo muutused on murdosa (või, mis on sama, magnetvoo tuletis aja suhtes).
Katsed on näidanud, et induktsioonivoolu tugevus on otseselt võrdeline magnetvoo muutumise kiiruse suurusega:
Moodul on paigaldatud selleks, et seda praegu ei seostataks negatiivsete väärtustega (kui magnetvoog väheneb, siis see on ). Seejärel eemaldame selle mooduli.
Ohmi seadusest terve ahela kohta on meil samal ajal: . Seetõttu on indutseeritud emf otseselt võrdeline magnetvoo muutumise kiirusega:
(4)
EMF-i mõõdetakse voltides. Kuid magnetvoo muutumise kiirust mõõdetakse ka voltides! Tõepoolest, (3)-st näeme, et Wb/s = V. Seetõttu langevad proportsionaalsuse (4) mõlema osa mõõtühikud kokku, seega on proportsionaalsuskoefitsient dimensioonitu suurus. SI-süsteemis on see võrdne ühtsusega ja saame:
(5)
Seda see on elektromagnetilise induktsiooni seadus või Faraday seadus. Anname sellele sõnalise sõnastuse.
Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus. Kui vooluringi läbiv magnetvoog muutub, ilmub sellesse vooluringi indutseeritud emf, mis on võrdne magnetvoo muutumiskiiruse mooduliga.
Lenzi reegel
Nimetame magnetvoogu, mille muutus põhjustab ahelas indutseeritud voolu ilmumist väline magnetvoog. Ja magnetvälja ennast, mis selle magnetvoo loob, nimetame väline magnetväli.
Miks meil neid termineid vaja on? Fakt on see, et ahelas tekkiv induktsioonivool loob oma oma magnetväli, mis superpositsiooni põhimõtte kohaselt liidetakse välisele magnetväljale.
Seega koos välise magnetvooga oma induktsioonvoolu magnetvälja tekitatud magnetvoog.
Selgub, et need kaks magnetvoogu – sisemine ja välimine – on omavahel seotud rangelt määratletud viisil.
Lenzi reegel. Indutseeritud voolu suund on alati selline, et tema enda magnetvoog takistab välise magnetvoo muutumist.
Lenzi reegel võimaldab leida indutseeritud voolu suuna igas olukorras.
Vaatame mõningaid näiteid Lenzi reegli rakendamisest.
Oletame, et vooluringi läbib magnetväli, mis aja jooksul suureneb (joonis (3)). Näiteks toome altpoolt kontuurile lähemale magneti, mille põhjapoolus on antud juhul suunatud ülespoole, kontuuri poole.
Magnetvoog läbi vooluringi suureneb. Indutseeritud vool on sellises suunas, et selle tekitatav magnetvoog takistab välise magnetvoo suurenemist. Selleks tuleb suunata induktsioonivoolu tekitatud magnetväli vastu väline magnetväli.
Indutseeritud vool liigub vastupäeva, kui vaadata selle tekitatava magnetvälja suunas. Sel juhul suunatakse vool ülalt, välise magnetvälja küljelt vaadates päripäeva, nagu näidatud (joonis (3)).
Riis. 3. Magnetvoog suureneb
Oletame nüüd, et vooluringi tungiv magnetväli aja jooksul väheneb (joonis 4). Näiteks liigutame magnetit ahelast allapoole ja magneti põhjapoolus osutab silmuse poole.
Riis. 4. Magnetvoog väheneb
Ahelat läbiv magnetvoog väheneb. Indutseeritud voolu suund on selline, et tema enda magnetvoog toetab välist magnetvoogu, takistades selle vähenemist. Selleks tuleb suunata induktsioonivoolu magnetväli samas suunas, kui väline magnetväli.
Sel juhul liigub indutseeritud vool ülalt, mõlema magnetvälja küljelt vaadates vastupäeva.
Magneti koostoime ahelaga
Niisiis toob magneti lähenemine või eemaldamine kaasa indutseeritud voolu ilmumise ahelasse, mille suuna määrab Lenzi reegel. Kuid magnetväli mõjub voolule! Magnetväljast ilmub vooluringile mõjuv amprijõud. Kuhu see jõud suunatakse?
Kui soovite Lenzi reeglist ja amprijõu suuna määramisest hästi aru saada, proovige sellele küsimusele ise vastata. See ei ole väga lihtne harjutus ja suurepärane ülesanne ühtse riigieksami C1 jaoks. Mõelge neljale võimalikule juhtumile.
1. Toome magneti vooluringile lähemale, põhjapoolus on suunatud ahela poole.
2. Eemaldame magneti ahelast, põhjapoolus on suunatud vooluringi poole.
3. Toome magneti vooluringile lähemale, lõunapoolus on suunatud ahela poole.
4. Eemaldame magneti ahelast, lõunapoolus on suunatud vooluringi poole.
Ärge unustage, et magnetväli ei ole ühtlane: jõujooned lahknevad põhjapoolusest ja lähenevad lõuna poole. See on tekkiva amprijõu määramisel väga oluline. Tulemus on järgmine.
Kui tuua magnet lähemale, tõrjutakse vooluahel magnetist eemale. Kui eemaldate magneti, tõmbab vooluahel magneti poole. Seega, kui ahel on riputatud keermele, kaldub see alati magneti liikumise suunas kõrvale, justkui järgides seda. Magnetpooluste asukoht ei oma sel juhul tähtsust..
Igal juhul peaksite seda tõsiasja meeles pidama - äkki tekib selline küsimus A1 osas
Seda tulemust saab seletada täiesti üldistest kaalutlustest – kasutades energia jäävuse seadust.
Oletame, et toome magneti vooluringile lähemale. Ahelasse ilmub induktsioonivool. Aga voolu tekitamiseks tuleb tööd teha! Kes seda teeb? Lõpuks liigutame magnetit. Teostame positiivset mehaanilist tööd, mis muundatakse ahelas tekkivate välisjõudude positiivseks tööks, tekitades indutseeritud voolu.
Seega peaks meie töö magneti liigutamine olema positiivne. See tähendab, et magnetile lähenedes peame seda tegema ületada magneti ja ahela vastasmõju jõud, mis on seega jõud tõrjumine.
Nüüd eemaldage magnet. Palun korrake neid argumente ja veenduge, et magneti ja vooluringi vahele peaks tekkima tõmbejõud.
Faraday seadus + Lenzi reegel = mooduli eemaldamine
Eespool lubasime eemaldada mooduli Faraday seadusest (5). Lenzi reegel lubab meil seda teha. Kuid kõigepealt peame kokku leppima indutseeritud emfi märgis - lõppude lõpuks võib ilma (5) paremal pool asuva moodulita EMFi suurus olla kas positiivne või negatiivne.
Esiteks fikseeritakse üks kahest võimalikust kontuuri läbimise suunast. See suund on välja kuulutatud positiivne. Kontuuri läbimise vastupidist suunda nimetatakse vastavalt negatiivne. See, millist läbimise suunda me positiivseks võtame, ei oma tähtsust – oluline on vaid see valik.
Ahelat läbivat magnetvoogu peetakse positiivseks class="tex" alt="(\Phi > 0)"> !}, kui vooluringi tungiv magnetväli on suunatud sinna, vaadates sealt, kust ahelat läbitakse positiivses suunas vastupäeva. Kui magnetinduktsiooni vektori lõpust on näha ringi positiivset suunda päripäeva, siis loetakse magnetvoog negatiivseks.
Indutseeritud emf loetakse positiivseks class="tex" alt="(\mathcal E_i > 0)"> !}, kui indutseeritud vool liigub positiivses suunas. Sel juhul langeb vooluringis tekkivate välisjõudude suund, kui seda läbiv magnetvoog muutub, ahelast möödasõidu positiivse suunaga.
Vastupidi, indutseeritud emf loetakse negatiivseks, kui indutseeritud vool liigub negatiivses suunas. Sel juhul mõjuvad välised jõud ka mööda vooluringi möödaviigu negatiivset suunda.
Niisiis, olgu vooluahel magnetväljas. Fikseerime positiivse ahela möödaviigu suuna. Oletame, et magnetväli on suunatud sinna, vaadates sealt, kust tehakse positiivne ümbersõit vastupäeva. Siis on magnetvoog positiivne: class="tex" alt="\Phi > 0"> .!}
Riis. 5. Magnetvoog suureneb
Seetõttu on meil antud juhul . Indutseeritud emfi märk osutus vastupidiseks magnetvoo muutumise kiiruse märgile. Kontrollime seda mõnes teises olukorras.
Nimelt oletame nüüd, et magnetvoog väheneb. Lenzi reegli kohaselt liigub indutseeritud vool positiivses suunas. See on, class="tex" alt="\mathcal E_i > 0"> !}(joonis 6).
Riis. 6. Magnetvoog suureneb class="tex" alt="\Rightarrow \mathcal E_i > 0"> !}
See on tegelikult üldine fakt: meie märkide kokkuleppel viib Lenzi reegel alati selleni, et indutseeritud emf märk on vastupidine magnetvoo muutumise kiiruse märgile:
(6)
Seega on Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse moodulmärk välistatud.
Vortex elektriväli
Vaatleme statsionaarset vooluringi, mis asub vahelduvas magnetväljas. Milline on ahelas induktsioonivoolu tekkimise mehhanism? Nimelt millised jõud põhjustavad vabade laengute liikumist, milline on nende välisjõudude olemus?
Püüdes neile küsimustele vastata, avastas suur inglise füüsik Maxwell looduse põhiomaduse: ajas muutuv magnetväli tekitab elektrivälja. Just see elektriväli toimib vabadele laengutele, põhjustades indutseeritud voolu.
Saadud elektrivälja jooned osutuvad suletud, mistõttu seda kutsuti keerise elektriväli. Pöörised elektrivälja jõujooned lähevad ümber magnetvälja jõujoonte ja on suunatud järgmiselt.
Laske magnetväljal suureneda. Kui selles on juhtiv ahel, voolab indutseeritud vool vastavalt Lenzi reeglile - vektori otsast vaadates päripäeva. See tähendab, et sinna on suunatud ka pöörisest elektriväljast ahela positiivsetele vabalaengutele mõjuv jõud; See tähendab, et keerise elektrivälja intensiivsuse vektor on suunatud täpselt sinna.
Seega on keerise elektrivälja intensiivsusjooned antud juhul suunatud päripäeva (vaadates vektori otsast , (joonis 7).
Riis. 7. Pööriselektriväli koos suureneva magnetväljaga
Vastupidi, kui magnetväli väheneb, siis on keerise elektrivälja intensiivsusjooned suunatud vastupäeva (joonis 8).
Riis. 8. Vortex elektriväli kahaneva magnetväljaga
Nüüd saame paremini mõista elektromagnetilise induktsiooni nähtust. Selle olemus seisneb just selles, et vahelduv magnetväli tekitab keerise elektrivälja. See efekt ei sõltu sellest, kas magnetväljas on suletud juhtiv ahel või mitte; Ahela abil tuvastame selle nähtuse ainult indutseeritud voolu jälgimise teel.
Pööriselektriväli erineb mõningate omaduste poolest meile juba tuntud elektriväljadest: elektrostaatilisest väljast ja laengute statsionaarsest väljast, mis moodustavad alalisvoolu.
1. Pöörisvälja jõujooned on suletud, elektrostaatilised ja statsionaarsed väljajooned algavad positiivsetel ja lõpevad negatiivsetel.
2. Keerisväli on mittepotentsiaalne: selle töö laengu liigutamisel mööda suletud ahelat ei ole null. Vastasel juhul ei saaks keerisväli elektrivoolu tekitada! Samal ajal, nagu me teame, on elektrostaatilised ja statsionaarsed väljad potentsiaalsed.
Niisiis, Induktsioon emf statsionaarses vooluringis on keerise elektrivälja töö ühe positiivse laengu liigutamiseks ümber ahela.
Olgu näiteks vooluring raadiusega rõngas, millesse tungib läbi ühtlane vahelduv magnetväli. Siis on keerise elektrivälja intensiivsus kõigis rõnga punktides ühesugune. Tööjõud, millega keerisväli laengule mõjub, on võrdne:
Seetõttu saame indutseeritud emfi jaoks:
Induktsioon emf liikuvas juhis
Kui juht liigub konstantses magnetväljas, siis tekib sellesse ka indutseeritud emf. Kuid praegu pole põhjus pöörises elektriväljas (seda ei teki - magnetväli on ju konstantne), vaid Lorentzi jõu mõju juhi vabadele laengutele.
Vaatleme olukorda, mis sageli esineb probleemides. Paralleelsed rööpad asuvad horisontaaltasapinnal, nende vaheline kaugus on võrdne . Rööpad on vertikaalses ühtlases magnetväljas. Õhuke juhtiv varras liigub mööda rööpaid kiirusega ; see jääb kogu aeg rööbastega risti (joon. 9).
Riis. 9. Juhi liikumine magnetväljas
Võtame positiivse vabalaengu ridva sees. Selle laengu ja vardaga kiirusega liikumise tõttu mõjub laengule Lorentzi jõud:
See jõud on suunatud piki varda telge, nagu on näidatud joonisel (vaadake seda ise - ärge unustage päripäeva või vasaku käe reeglit!).
Lorentzi jõud mängib sel juhul välisjõu rolli: see paneb liikuma varda vabad laengud. Laengu punktist punkti liigutades teeb meie välisjõud tööd:
(Me loeme ka varda pikkuseks .) Seetõttu on varda indutseeritud emf võrdne:
(7)
Seega on varras sarnane vooluallikaga, millel on positiivne ja negatiivne klemm. Varda sees toimub välise Lorentzi jõu toimel laengute eraldumine: positiivsed laengud liiguvad punkti , negatiivsed laengud punkti .
Eeldame esmalt, et rööpad ei juhi voolu, siis laengute liikumine varras järk-järgult peatub. Tõepoolest, kui positiivsed laengud akumuleeruvad lõpus ja negatiivsed laengud lõpus, suureneb Coulombi jõud, millega positiivne vaba laeng eemale tõrjutakse ja mille poole see tõmbab – ja ühel hetkel tasakaalustab see Coulombi jõud Lorentzi jõudu. Varda otste vahel luuakse potentsiaalide erinevus, mis on võrdne indutseeritud emf-ga (7).
Oletame nüüd, et siinid ja hüppaja on juhtivad. Siis ilmub ahelasse indutseeritud vool; see liigub suunas ("plussallikast" "miinuseni" N). Oletame, et varda takistus on võrdne (see on vooluallika sisetakistuse analoog) ja sektsiooni takistus on võrdne (välisahela takistus). Seejärel leitakse kogu vooluringi induktsioonivoolu tugevus Ohmi seaduse järgi:
On tähelepanuväärne, et indutseeritud emf-i avaldise (7) saab saada ka Faraday seaduse abil. Teeme seda.
Aja jooksul liigub meie ritv mööda teed ja võtab positsiooni (joonis 9). Kontuuri pindala suureneb ristküliku pindala võrra:
Magnetvoog läbi vooluringi suureneb. Magnetvoo juurdekasv on võrdne:
Magnetvoo muutumise kiirus on positiivne ja võrdne indutseeritud emf-ga:
Saime sama tulemuse nagu punktis (7). Märgime, et induktsioonivoolu suund järgib Lenzi reeglit. Tõepoolest, kuna vool liigub suunas, on selle magnetväli suunatud välisväljaga vastupidiselt ja seetõttu takistab see magnetvoo suurenemist läbi vooluahela.
Selles näites näeme, et olukordades, kus juht liigub magnetväljas, saame tegutseda kahel viisil: kas kasutada välisjõuna Lorentzi jõudu või kasutada Faraday seadust. Tulemused on samad.
Induktsioonvool on vool, mis tekib vahelduvas magnetväljas asuvas suletud juhtivas ahelas. See vool võib tekkida kahel juhul. Kui on statsionaarne ahel, millesse tungib muutuv magnetinduktsiooni voog. Või kui juhtiv ahel liigub konstantses magnetväljas, mis põhjustab ka ahelasse tungiva magnetvoo muutumise.
Joonis 1 – Juht liigub pidevas magnetväljas
Induktsioonivoolu põhjus on keeriselektriväli, mis tekib magnetvälja toimel. See elektriväli toimib vabadele laengutele, mis asuvad sellesse keeriselektrivälja asetatud juhis.
Joonis 2 - keerise elektriväli
Selle määratluse leiate ka. Induktsioonvool on elektrivool, mis tekib elektromagnetilise induktsiooni toimel. Kui te ei süvene elektromagnetilise induktsiooni seaduse keerukesse, siis lühidalt võib seda kirjeldada järgmiselt. Elektromagnetiline induktsioon on nähtus, kus juhtivas ahelas tekib vahelduva magnetvälja mõjul vool.
Selle seaduse abil saate määrata induktsioonivoolu suuruse. Kuna see annab meile vahelduva magnetvälja mõjul vooluringis tekkiva EMF väärtuse.
Valem 1 – magnetvälja induktsiooni EMF.
Nagu valemist 1 näha, sõltub indutseeritud emf suurus ja seega ka indutseeritud vool ahelasse tungiva magnetvoo muutumise kiirusest. See tähendab, et mida kiiremini muutub magnetvoog, seda suurem on induktsioonivool. Juhul, kui meil on konstantne magnetväli, milles juhtiv ahel liigub, sõltub EMF-i suurus ahela liikumiskiirusest.
Induktsioonivoolu suuna määramiseks kasutatakse Lenzi reeglit. Mis ütleb, et indutseeritud vool on suunatud selle põhjustanud voolu suunas. Sellest ka miinusmärk indutseeritud emf määramise valemis.
Induktsioonvool mängib kaasaegses elektrotehnikas olulist rolli. Näiteks induktsioonmootori rootoris tekkiv indutseeritud vool interakteerub selle staatoris olevast toiteallikast saadava vooluga, põhjustades rootori pöörlemise. Kaasaegsed elektrimootorid on ehitatud sellel põhimõttel.
Joonis 3 - asünkroonmootor.
Trafos kasutatakse sekundaarmähises tekkivat induktsioonivoolu erinevate elektriseadmete toiteks. Selle voolu suurust saab määrata trafo parameetritega.
Joonis 4 - elektritrafo.
Ja lõpuks, indutseeritud voolud võivad tekkida ka massiivsetes juhtides. Need on niinimetatud Foucault voolud. Tänu neile on võimalik teostada metallide induktsioonsulatamist. See tähendab, et juhis voolavad pöörisvoolud põhjustavad selle kuumenemist. Sõltuvalt nende voolude suurusest võib juht kuumeneda üle sulamistemperatuuri.
Joonis 5 - metallide induktsioonsulatamine.
Niisiis oleme leidnud, et induktsioonivoolul võib olla mehaaniline, elektriline ja termiline mõju. Kõiki neid efekte kasutatakse tänapäeva maailmas laialdaselt nii tööstuslikus kui ka majapidamises.
Suurema osa planeedil Maa vahelduva induktsioonvoolu kujul olevast elektrist toodab inimkond induktsioonelektrigeneraatorite abil. Alalisvool, mida saadakse ka elektrigeneraatoritest, on vahelduvvoolu erijuhtum. Elektrigeneraatoreid on palju erinevaid konstruktsioone, kuid nende töö põhineb samal põhimõttel. See on armatuuri suhtelise liikumise (pöörlemise) põhimõte induktiivpooli magnetväljas või vastupidi, induktiivpooli magnetvälja pöörlemise põhimõte armatuuri suhtes.
Kuulus Serbia teadlane Nikola Tesla andis suure teadusliku ja praktilise panuse elektriteaduse arendamisse ja selle tootmiseks vajalike seadmete loomisesse. Tema leiutised ja avastused füüsiku, inseneri ja disainerina andsid tugeva aluse elektrotehnika ja radiofüüsika arengule. Paljud tema ideed nendes teaduse ja tehnoloogia valdkondades on endiselt nõudlikud.
Märkimisväärseid mehaanilisi jõude kulutatakse elektrigeneraatori töö korraldamiseks ja säilitamiseks, induktiivpooli magnetväljas oleva armatuuri pöörlemise takistusjõudude ületamiseks. Põhimõtteliselt realiseeritakse need jõud erinevate ajamite kujul, nagu auru-, gaasiturbiinid, hüdroturbiinid, sisepõlemismootorid jne. Elektromagnetiline induktsioon on otseselt (otseselt) seotud elektrienergia tootmisega.
Vaatleme kõige lihtsamat elektrigeneraatori laboratoorset diagrammi, mis on näidatud joonisel 1. Enamik tööstuslikke elektrigeneraatoreid on ehitatud selle skeemi järgi, kuid keerukama konstruktsiooniga.
Püsimagneti magnetväljas pöörleb pooluste N ja S vahel traadist juhtiv raam 2, mille otsad on joodetud juhtivate rõngaste 1 külge. Need rõngad on ühendatud kontaktidega 3 ja seejärel väliste juhtmetega. vooluring, sealhulgas galvanomeeter. Raam pöörleb magnetväljas, mille magnetvoog muutub kogu aeg. Magnetvoo F mõju tulemusena raami juhtmete mikrostruktuurile tekib suletud ahelas induktsioonvool, mis tuvastatakse galvanomeetriga. Peaaegu kõigis füüsikaõpikutes on F väärtus pooli raami kaudu määratletud kui magnetvälja tugevuse (H) korrutis mähise pindalaga (S) ja nurga (a) siinusega magnetvälja suund ja kaadri tasapind.
Asendades nurga a läbi (wхt), kus w on pooli raami pöörlemise nurkkiirus ja t on aeg, saame valemi
milles Ф väärtuse muutuste graafik läbi kaadri on sinusoid (joon. 2).
Ülaltoodud valem, välja arvatud F väärtuse muutuse matemaatiline kirjeldus pooli pindala kaudu, ei anna midagi protsessi füüsilise tähenduse mõistmiseks. Selles valemis tuleks pöördeala S asemel märkida raami juhtmete pikkus, kuna raami pöörlemise ajal toimib magnetväli selle juhtmete mikrostruktuuriga.
Sarnased graafikud voolu ja pinge muutustest aja jooksul, mis on registreeritud ostsilloskoobiga, kujutavad samuti sinusoidi (joonis 3). Meil oli seda teadaolevat teavet vaja ainult selleks, et meenutada, et magneti välise magnetvälja mõju selles pöörlevale pooli raamile ei ole midagi muud kui magnetvälja sinusoidne impulss-interaktsioon pooli juhtmete mikrostruktuuriga. -raam.
Nagu varem mainitud, on elektrigeneraatori konstruktsioon võnkeahel. Induktiivmagneti (joon. 1) magnetväli, mis on armatuurraami suhtes väline magnetväli, mõjutab raami juhtide mikrostruktuuri siinuse variatsiooniseaduse järgi muutuva magnetvooga, indutseerides selle oma magnetväli armatuuri juhtide mikrostruktuuris. Peaaegu samaaegselt kaadri pöörlemise algusega läbib välise magnetvälja signaali-impulss ülejäänud suletud elektriahelat ja kogu vooluringi mahu ulatuses kordavad mikroallikad seda impulssi pildis ja sarnasuses. , luues kogu vooluringis oma magnetvälja. Veel üks impulss – ja jälle taastootmine (kordus). Ja nii lõpmatu arv kordi, kui elektrigeneraator töötab.
Vaatame seda protsessi lähemalt. Alustame ebamugavast lasteküsimusest: „Miks tekib suletud raamis (joon. 1 suhtes) indutseeritud vool, mis pöörleb püsimagneti magnetväljas, mitte aga samas paiknevas statsionaarses raamis. magneti magnetväli, mis iganes asendis oli raam? Kvantfüüsika järgi tiirlevad elektronid-elektrilaengud aatomi tuuma ümber suurel kiirusel. Sel juhul on elektronidel kaks magnetmomenti: orbitaal- ja spinn ning samade kvantseaduste kohaselt peavad nad interakteeruma magnetväljaga (seisva magneti magnetväljas peavad nad aeglustuma), kiirgades mikroenergiat analoogselt virmalistega. . Aga seda seal polnud. Kiirgust ei toimu, kuigi magneti magnetvälja jooned (MFL) tungivad läbi juhtmete mikrostruktuuri aatomitasandil. Miks on nii, et juhtide mikrostruktuuris olevad mikroallikad-elektronid tõmbavad nii palju liikuva magnetvälja poole? Sellele küsimusele vastamiseks meenutagem vene teadlase P.N. Lebedev uuris valguse rõhku vaakumis kergetele objektidele. Kopernik juhtis tähelepanu ka sellele, et kerge rõhk eksisteerib Päikese lähedal lendavate komeetide sabaosa jälgimisel.
Meenutagem mõningaid lihtsaid katseid, milles vaadeldi elektrivoolu tekkimist elektromagnetilise induktsiooni tagajärjel.
Üks neist katsetest on näidatud joonisel fig. 253. Kui suurest arvust traadi keerdudest koosnev mähis kiiresti magnetile peale panna või sealt ära tõmmata (joon. 253, a), siis tekib selles lühiajaline induktsioonivool, mida saab viskega tuvastada. pooli otstega ühendatud galvanomeetri nõel. Sama juhtub siis, kui magnet lükatakse kiiresti mähisesse või tõmmatakse sellest välja (joon. 253, b). Ilmselgelt on oluline ainult pooli suhteline liikumine ja magnetväli. Vooluvool peatub, kui see liikumine peatub.
Riis. 253. Mähise ja magneti suhtelisel liikumisel tekib mähises indutseeritud vool: a) mähis pannakse magnetile; b) magnet liigub mähisesse
Vaatleme nüüd mitmeid täiendavaid katseid, mis võimaldavad sõnastada üldisemal kujul induktsioonvoolu tekkimise tingimused.
Esimene katseseeria: induktsiooniahel (mähis või raam) paikneva välja magnetinduktsiooni muutmine.
Mähis asetatakse magnetvälja, näiteks solenoidi sisse (joonis 254, a) või elektromagneti pooluste vahele (joonis 254, b). Paigaldame mähise nii, et selle keerdude tasapind oleks risti solenoidi või elektromagneti magnetvälja jõujoontega. Muudame välja magnetilist induktsiooni, muutes kiiresti voolutugevust mähises (reostaadi abil) või lihtsalt voolu välja ja sisse lülitades (võtmega). Iga magnetvälja muutusega annab galvanomeetri nõel järsu tagasilöögi; see näitab induktsioonelektrivoolu tekkimist pooliahelas. Magnetvälja tugevnemisel (või ilmnemisel) tekib ühesuunaline vool ja nõrgenemisel (või kadumisel) tekib vastassuunaline vool. Teeme nüüd sama katse, paigaldades mähise nii, et selle keerdude tasapind oleks paralleelne magnetvälja joonte suunaga (joonis 255). Katse annab negatiivse tulemuse: olenemata sellest, kuidas me välja magnetilist induktsiooni muudame, me ei tuvasta mähisahelas induktsioonivoolu.
Riis. 254. Indutseeritud vool tekib mähisesse magnetinduktsiooni muutumisel, kui selle pöörete tasapind on risti magnetvälja jõujoontega: a) mähis solenoidväljas; b) mähis elektromagneti väljas. Magnetinduktsioon muutub, kui lüliti on suletud ja avatud või kui voolutugevus ahelas muutub
Riis. 255. Induktsioonivoolu ei teki, kui pooli keerdude tasapind on paralleelne magnetvälja jõujoontega
Teine katseseeria: konstantses magnetväljas asuva mähise asukoha muutmine.
Asetame pooli solenoidi sisse, kus magnetväli on ühtlane, ja keerame seda kiiresti teatud nurga all ümber välja suunaga risti oleva telje (joonis 256). Iga sellise pöörlemise korral tuvastab pooliga ühendatud galvanomeeter indutseeritud voolu, mille suund sõltub mähise algasendist ja pöörlemissuunast. Kui mähis pöörleb täielikult 360°, muutub induktsioonivoolu suund kaks korda: iga kord, kui mähis läbib positsiooni, kus selle tasand on risti magnetvälja suunaga. Muidugi, kui mähist keerata väga kiiresti, muudab indutseeritud vool oma suunda nii sageli, et tavalise galvanomeetri nõel ei jõua neid muutusi jälgida ja vaja on teistsugust, "kuulekamat" seadet.
Riis. 256. Kui mähis pöörleb magnetväljas, tekib selles indutseeritud vool
Kui aga mähist liigutada nii, et see ei pöörle välja suuna suhtes, vaid liigub ainult paralleelselt iseendaga mis tahes suunas piki välja, üle selle või mis tahes nurga all välja suuna suhtes, siis indutseeritud voolu ei teki. Rõhutame veel kord: pooli liigutamise eksperiment viiakse läbi ühtlases väljas (näiteks pika solenoidi sees või Maa magnetväljas). Kui väli on ebaühtlane (näiteks magneti või elektromagneti pooluse lähedal), võib mähise igasuguse liikumisega kaasneda induktsioonvoolu ilmumine, välja arvatud ühel juhul: induktsioonvool ei tekivad siis, kui mähis liigub nii, et selle tasapind jääb kogu aeg välja suunaga paralleelseks (s.t. mähist ei läbi magnetvälja jooni).
Kolmas katseseeria: konstantses magnetväljas asuva vooluringi pindala muutmine.
Sarnase katse saab läbi viia järgmise skeemi järgi (joonis 257). Magnetväljas asetame näiteks suure elektromagneti pooluste vahele painduvast traadist ahela. Olgu kontuur algselt ringikujuline (joonis 257a). Kiire käeliigutusega saate kontuuri pingutada kitsaks silmuseks, vähendades sellega oluliselt selle kaetavat ala (joonis 257, b). Galvanomeeter näitab induktsioonvoolu esinemist.
Riis. 257. Indutseeritud vool tekib mähisesse, kui selle konstantses magnetväljas paikneva ja magnetvälja joontega risti asetseva vooluringi pindala muutub (magnetväli on suunatud vaatlejast eemale)
Veelgi mugavam on läbi viia katse kontuuriala muutmisega vastavalt joonisel fig. 258. Magnetväljas on vooluahel, mille üks külg (joonis 258) on muudetud liikuvaks. Iga kord, kui see liigub, tuvastab galvanomeeter induktsioonivoolu esinemise ahelas. Veelgi enam, vasakule liikumisel (ala suurenemine) on induktsioonivoolul üks suund ja paremale liikumisel (ala väheneb) - vastupidises suunas. Kuid isegi sel juhul ei tekita vooluringi pindala muutmine indutseeritud voolu, kui ahela tasapind on paralleelne magnetvälja suunaga.
Riis. 258. Kui varras liigub ja selle tulemusena muutub magnetväljas paiknev ahela pindala, tekib vooluringis vool.
Võrreldes kõiki kirjeldatud katseid, saame üldisel kujul sõnastada indutseeritud voolu esinemise tingimused. Kõigil vaadeldavatel juhtudel oli meil vooluring paigutatud magnetvälja ja vooluringi tasapind võis magnetinduktsiooni suunaga ühe või teise nurga teha. Tähistame kontuuriga piiratud ala , välja magnetinduktsiooni tähisega ning magnetinduktsiooni suuna ja kontuuri tasandi vahelist nurka . Sel juhul on vooluringi tasapinnaga risti olev magnetinduktsiooni komponent suurusjärgus võrdne (joonis 259).
Riis. 259. Magnetinduktsiooni lagunemine induktsiooniahela tasapinnaga risti olevaks komponendiks ja selle tasandiga paralleelseks komponendiks
Nimetame toodet magnetinduktsiooni vooks või lühidalt vooluahelat läbivaks magnetvooks; Tähistame selle koguse tähega . Seega
. (138.1) läbi selle kontuuri jääb muutumatuks. Niisiis:
Kui magnetvoog läbi juhtiva vooluringi muutub, tekib selles ahelas elektrivool.
See on üks olulisemaid loodusseadusi – elektromagnetilise induktsiooni seadus, mille avastas Faraday 1831. aastal.
138.1. Mähised I ja II asuvad üksteise sees (joon. 260). Esimene ahel sisaldab akut, teine vooluring galvanomeetrit. Kui raudvarras lükatakse esimesse mähisesse või sealt välja, tuvastab galvanomeeter induktsioonivoolu esinemise teises mähises. Selgitage seda kogemust.
Riis. 260. Harjutuseks 138,1
138.2. Traatraam pöörleb ühtlases magnetväljas ümber magnetinduktsiooniga paralleelse telje. Kas sellesse tekib indutseeritud vool?
138.3. Kas e. d.s. induktsioon auto terastelje otstes, kui see liigub? Millises suunas auto liigub? d.s. suurim ja mis punktis on see väikseim? Kas see oleneb? d.s. induktsioon auto kiirusest?
138.4. Auto šassii koos kahe teljega moodustab suletud juhtiva ahela. Kas auto liikumisel tekib sellesse vool? Kuidas saab selle ülesande vastust ühildada ülesande 138.3 tulemustega?
138.5. Miks tekitasid pikselöögid mõnikord kahjustusi tundlikele elektrimõõteriistadele mitme meetri kaugusel löögipunktist ja sulatasid valgustusvõrgu kaitsmed?